mos的spice建模

的有效长度减小，这就是沟道长度调制效应 。 在考虑了沟道长度调制效应后，器件的有效沟道长 度为：
L L0 2LD Λ
式中：
Λ
2 Si ε VDS VDSAT qN
MOS器件二阶效应
（6）载流子有限漂移速度引起的电流饱和 对于同样的几何尺寸比、同样的工艺和偏置，短沟道 器件比起长沟道器件来讲饱和电流要小。 在MOS2模型中，引入了参数νmax表示载流子的最大 漂移速率，于是有：
§ MOS场效应晶体管及其SPICE模型
MOS管的结构尺寸缩小到亚微米范围后，多维的物理效应和寄生 效应使得对MOS管的模型描述带来了困难。模型越复杂，模型参 数越多，其模拟的精度越高。但高精度与模拟的效率相矛盾。依 据不同需要，常将MOS模型分成不同级别。SPICE2中提供了几 种MOS场效应管模型，并用变量LEVEL来指定所用的模型。

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MOS器件二阶效应
（3）窄沟道效应
实际的栅总有一部分要覆盖在场氧化层上(沟道宽度以外)，因此场氧 化层下也会引起耗尽电荷。这部分电荷虽然很少，但当沟道宽度W很 窄时，它在整个耗尽电荷中所占的比例将增大。与没有“边缘”效应
时的情况相比较，栅电压要加得较大才能使沟道反型。
这时V TH被修正为：
VTH VT0 γ
VON时，为强反型。
VON VTH
nk T q
在弱反型导电时，漏源电流方程为：
q VGS VON I DS I ON exp nkT
MOS3 模型
MOS3模型是一个半经验模型，适用于短沟道器件，对于
沟长2m的器件所得模拟结果很精确。在MOS3中考虑的器 件二阶效应如下： （1）漏源电压引起的表面势垒降低而使阈值电压下降的静 电反馈效应； （2）短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响； （3）载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应； （4）表面电场对载流子迁移率的影响。
式中，µ0表面迁移率；Ecrit为栅-沟道的临界电场强度； Etra是横向电场系数，它表示VDS对栅-沟道电场的影响； EEXP为迁移率下降的临界指数系数。
MOS器件二阶效应
（5）沟道长度调制效应 当VDS增大时，MOS管的漏端沟道被夹断并进入饱和， VDS进一步增大，该夹断点向源区移动，从而使沟道
FS为短沟道效应的校正因子。
式中，η是模拟静电反馈效应的经验模型参数，
MOS3 模型
（1）阈值电压的半经验公式
在MOS3中采用改进的梯形耗尽层模型，考虑了圆柱 形电场分布的影响，如图所示。图中Wc为圆柱结耗尽
层宽度，Wp为平面结耗尽层宽度 。
L G S Xj Wp Ws Xj1 tox W0 D
Wc
随着VDS的增加，在漏区这一边的耗尽层宽度会有所增加，这时漏区
和源区的耗尽层宽度WD和WS分别为：
WD X D 2 F VBS VDS φ
上式中，
WS X D 2 F VBS φ
XD
2 Si ε qN SUB
，因此γS修正为：
1 Xj γS γ1 2 L0 2 LD
CGB＝CGB1＋CGB2
CGS＝CGS1＋CGS2
CGD＝CGD1＋CGD2
其中不随偏压而变的部分是栅极与源区、漏区的交叠氧化层电容以 及栅与衬底间的交叠氧化层电容(在场氧化层上)，即：
CGB2＝CGB0L CGS2＝CGS0W
CGD2＝CGD0W
MOS电容模型
（2）栅电容 随偏压而变的栅电容是栅氧化层电容与空间电荷区电容 相串联的部分。列出了不同工作区栅电容的变化如下： 工作区 截止区 非饱和区 饱和区 CGB1 COXWLeff 0 0 CGS1 0 COXWLeff/2 (2/3)COXWLeff CGD1 0 COXWLeff/2 0
mj
C jsw0
PS 1 VBS V0
mSW
C BD C j0
AD 1 VBD V0
mj
C jsw0
PD 1 VBD V0
mSW
MOS电容模型
（2）栅电容
栅电容CGB，CGS，CGD包括随偏压变化及不随偏压变化两部分：
电流方程为：
I DS K P W L0 2 LD VGS VTH VDS 1 VDS 2 1 λVDS 2
式中： KP－本征跨导参数； λ－沟道长度调制系数；
W－沟道宽度 ； LD－沟道横向扩散长度 ；
L0－版图上几何沟道长度，L0－2 LD＝L为有效沟道长度 ； VTH－阈值电压： VTH VT0 γ
L X D EP X D 2
2 2 EP X D 2 X D VDS VDSAT 2 2
上式中，EP为夹断点处的横向电场，κ为饱和电场系数。
MOS电容模型
（1）PN结电容 结电容由底部势垒电容和侧壁势垒电容两部分组成：
C BS C j0 AS 1 VBS V0

阈值电压
（1）垂直方向非均匀掺杂
VTH VT0 K 1 S VBS S K 2VBS
（2）横向非均匀掺杂


VTH VT0 K 1 S VBS S K 2VBS
（3）短沟道效应
VTH VT0 K1 S VBS


2 LX N DS N A K1 1 1 S Leff NA

2 LX N DS N A S K 2VBS K1 1 1 S VTH Leff NA

（4）窄沟道效应
VTH K 3 K 3bVBS
W
t OX
'
eff
W0

S
短沟道MOS场效应管BSIM3模型
迁移率
一个好的表面迁移率模型对于MOSFET模型的精度是致关重要的。 一般讲，迁移率与很多工艺参数及偏置条件有关。BSIM3中所提供的

2 F VSB φ
ε Si 2 F δ φ 2 F V SB φ 4C oxW

MOS器件二阶效应
（4）迁移率修正
在栅电压增加时，表面迁移率率会有所下降， 其经验公式为：
E EXP
ε Ecrit tOX Si μS μ0 ε VGS VTH E traVDS OX
rD＝RshNRD rS＝RshNRS
式中，Rsh－漏扩散区和源扩散区薄层电阻 ； NRD—漏扩散区等效的方块数； NRS—源扩散区等效的方块数。
§短沟道MOS场效应管BSIM3模型
BSIM（Berkeley short-channel IGFET model）模型是专门为短沟道
MOS场效应晶体管而开发的模型。在BSIM3模型中考虑了下列效应：
MOS1模型衬底PN结电流公式
G
+
+
CGB
CGS
VGS
-
VGD
I DS
-
CGD
rD
D
rS
S
+
C BS
-
VBS
+
V BD
+
CBD
当VBS<0时
B
I BS
qI SS VBS kT
qVBS I SS exp 1 kT
当VBD<0时 当VBD>0时
I BD


LEVEL＝1 MOS1模型 Shichman-Hodges模型
LEVEL＝2 MOS2模型 二维解析模型 LEVEL＝3 MOS3模型 半经验短沟道模型

LEVEL＝4 MOS4模型 BSIM（Berkeley short-channel IGFET
model）模型
MOS1模型
MOS3 模型
（2）表面迁移率调制
表示迁移率和栅电场关系的经验公式为：
S
1 V GSVTH
0
式中经验模型参数θ称为迁移率调制系数 。
MOS3 模型
（3）沟道长度调制减小量的半经验公式 当VDS大于VDSAT时，载流子速度饱和点的位置逐渐移 向源区，造成沟道长度调制效应。沟道长度的减小量ΔL 为：
（1）短沟和窄沟对阈值电压的影响；（6）漏感应引起位垒下降； （2）横向和纵向的非均匀掺杂； （7）沟道长度调制效应； （3）垂直场引起的载流子迁移率下降（8）衬底电流引起的体效应， （4）体效应； （9）次开启导电问题；
（5）载流子速度饱和效应；
（10）漏／源寄生电阻。
短沟道MOS场效应管BSIM3模型
（3）沟道宽度对阈值电压的影响；
（4）迁移率随表面电场的变化； （5）沟道夹断引起的沟道长度调制效应；
（6）载流子漂移速度限制而引起的电流饱和效应；
（7）弱反型导电。
MOS器件二阶效应
（1）短沟道对阈值电压的影响
沟道长度L的减少，使衬底耗尽层的体电荷对阈值电压贡献减
少。体电荷的影响是由体效应阈值系数γ体现的，它的变化使V TH 变化。考虑了短沟效应后的体效应系数γS为：
qISD VBD kT
当VBS>0时
I BS
qV I BD I SD exp BD kT
1
MOS2 模型
二阶模型所使用的等效电路和一阶模型相同 ，但模型计 算中考虑了各种二阶效应对MOS器件漏电流及阈值电压等
特性的影响。这些二阶效应包括：
（1）沟道长度对阈值电压的影响； （2）漏栅静电反馈效应对阈值电压的影响；
MOS3 模型
MOS3模型参数大多与MOS2相同，但其阈值电压、饱和电流、沟 道调制效应和漏源电流表达式等都是半经验公式，并引入了新的模型
参数：η（EAT）、θ（THETA）和κ（KAPPA）。
下面分别讨论MOS3半经验公式及这三个参数的意义： （1）阈值电压的半经验公式
VTH VFB
8.15 10 22 2 F η φ γFS 2 F VBS FN 2 F VBS φ φ 3 C OX L
2WS 2WD 1 1 γ1 α α 1 1 D S Xj Xj
可见，由于VDS的增加而造成的WD增加，会使阈值电压进一步下降。
[VTH VT0 γs

2 F VSB 2 F ] φ φ
Xj γS γ1 L0 2 LD
阈值电压提高。
2W 1 1 Xj
可见，当沟道长度L减小时阈值电压降低，而沟道宽度W变窄时
[VTH VT0 γs

2 F VSB 2 F ] φ φ

MOS器件二阶效应
（2）静电反馈效应
迁移率公式是：
νmax
I DSAT WQ CHAN
MOS器件二阶效应
（7）弱反型导电
MOSFET并不是一个理想的开关，实际上当VGS＜VTH时在表面处 就有电子浓度，也就是当表面不是强反型时就存在电流。这个电流称 为弱反型电流或次开启电流。SPICE2中定义一个新的阈值电压VON，
它标志着器件从弱反型进入强反型。当VGS＜VON时为弱反型，当VGS＞
MOS1模型是MOS晶体管的一阶模型，描述了MOS管电 流-电压的平方率特性，它考虑了衬底调制效应和沟道长 度调制效应。适用于精度要求不高的长沟道MOS晶体管。
G
+
+
CGB
CGS
VGS
-
VGD
I DS
-
CGD
rD
D
rS
S
+
C BS
-
VBS
+
V BD
+
CBD
B
MOS1模型器件工作特性
（1）线性区（非饱和区） 当VGS>VTH，VDS<VGS－VTH，MOS管工作在线性区。

2 F VSB φ
2 F φ

MOS1模型器件工作特性
（2）饱和区 当VGS>VTH，VDS>VGS－VTH，MOS管工作在饱和区。
电流方程为：
I DS KP W VGS VTH 2 1 λVDS 2 L0 2 LD
（3）两个衬底PN结
两个衬底结中的电流可用类似二极管的公式来模拟。
不同工作区的栅电容
串联电阻对MOS器件的影响
漏区和源区的串联电阻会严重地影响MOS管的电学特性，串联电 阻的存在使加在漏源区的有效电压会小于加在外部端口处的电压。 SPICE2等效电路中插入了两个电阻rD和rS，它们的值可在模型语句： “．MODEL ”中给定，也可通过MOSFET中的NRD和NRS来确定 。